辐射换热思考题解答
1．什么叫黑体？在辐射换热中为什么要引入这一概念？
答：吸收比α=1的物体叫做黑体，黑体是一个理想化的物体，黑体辐射的特性反映了物体辐射在波长、温度和方向上的变化规律，这为研究实际物体的辐射提供了理论依据和简化分析基础。
2．温度均匀的空腔壁面上的小孔具有黑体辐射的特性，那么空腔内部的辐射是否也是黑体辐射？
答：空间内壁壁面不一定是黑体辐射，之所以小孔呈现出黑体特性，是因为辐射在空腔内经历了很多次吸收和反射过程，使离开小孔的能量微乎其微。
3．试说明，为什么在定义辐射力时要加上“半球空间”和“全波长”的说明？
答：因为辐射表面半球空间每一立体角都有来自辐射面的辐射能，而辐射能的形式有各个不同波长。全辐射必须包括表面辐射出去的全部能量，所以要加上“半球空间”和“全部波长”的说明。
4．黑体的辐射能按波长是怎样分布的？光谱辐射力E b , λ的单位中“m 3”代表什么？ 答：黑体辐射能按波长的分布服从普朗克定律，光谱辐射力单位中分母“m 3”代表了单位面积m 2和单位波长m 的意思。
5．黑体的辐射能按空间方向是怎样分布？定向辐射强度与空间方向无关是否意味着黑体的辐射能在半球空间各方向上是均匀分布的？
答：黑体辐射能按空间方向分布服从兰贝特定律。定向辐射强度与空间方向无关并不意味着黑体辐射能在半球空间各方向上是均匀分布的，因为辐射强度是指单位可见面积的辐射能，在不同方向，可见面积是不同的，即定向辐射力是不同的。
6．什么叫光谱吸收比？在不同光源的照耀下，物体常呈现不同的颜色，如何解释？ 答：所谓光谱吸收比，是指物体对某一波长投入辐射的吸收份额，物体的颜色是物体对光源某种波长光波的强烈反射，不同光源的光谱不同，所以物体呈现不同颜色。
7．对于一般物体，吸收比等于发射率在什么条件下成立？
答：任何物体在与黑体处于热平衡的条件下，对来自黑体辐射的吸收比等于同温度下该物体的发射率。
8．说明灰体的定义以及引入灰体的简化对工程辐射换热计算的意义。
答：光谱吸收比与波长无关的物体叫做灰体，灰体的吸收比恒等于同温度下的发射率，把实际物体当做灰体如理，可以不必考虑投入辐射的特性，将大大简化辐射换热的计算。
9．已知材料A 、B 的光谱吸收比α(λ) 与波长的关系如图所示，试估计这两种材料的发射率ε随温度变化的特性，并说明理由。
答：根据基尔霍夫定律：ε~α， ε(λ) ~α(λ) 。由维恩位移定律：λmax ~1/T 。
因为A 的光谱吸收比随波长增加而降低，即其善于吸收短波辐射，必善于发射短波辐射，所以其发射率随温度升高而升高，可能是金属材料。B 的光谱吸收比是随波长的增加而增高，即其善于吸收长波辐射，必善于发射长波辐射，所以其发射率随温度升高而降低，可能是非金属材料。
10、试述角系数的定义。“角系数是一个纯几何因子”的结论是在什么前提下得出的？ 答：表面1发出的辐射能落到表面2上的份额称为表面1对表面2的角系数。“角系数是一个纯几何因子”的结论是在物体表面性质及表面温度均匀、物体辐射服从兰贝特定律的前提下得出的。
11、角系数有哪些特性？这些特性的物理背景是什么？
答：角系数有相对性、完整性和可加性。相对性是在两个物体处于热平衡时，净辐射换热量为零的条件下导得的；完整性反映了一个由几个表面组成的封闭系统中，任一表面所发生的辐射能必全部落到封闭系统的各个表面上；可加性是说明从表面1发出而落到表面2上的总能量等于落到表面2上各部分辐射能之和。
12、为什么计算一个表面与外界之间的净辐射换热量时要采用封闭腔的模型？
答：因为任一表面与外界的辐射换热包括了该表面向空间各个方向发出的辐射能和从各个方向投入到该表面上的辐射能。
13、实际表面系统与黑体系统相比，辐射换热计算增加了哪些复杂性？
答：实际表面系统的辐射换热存在表面间的多次重复反射和吸收，光谱辐射力不服从普朗克定律，光谱吸收比与波长有关，辐射能在空间的分布不服从兰贝特定律，这都给辐射换热计算带来了复杂性。
14、什么是一个表面的自身辐射、投入辐射及有效辐射？有效辐射的引入对于灰体表面系统辐射换热的计算有什么作用？
答：由物体的热力学能转变成的辐射能叫做自身辐射，投向辐射表面的辐射叫做投入辐射，离开辐射表面的辐射叫做有效辐射，有效辐射概念的引入可以避免计算辐射换热计算时出现多次吸收和反射的复杂性。
15、对于温度已知的多表面系统，试总结求解每一表面净辐射换热量的基本步骤？ 答：（1）画出辐射网络图，写出节点辐射力、表面热阻和空间热阻；（2）写出由中间节点方程组成的方程组；（3）解方程组得到各点有效辐射；（4）由端点辐射力，有效辐射和表面热阻计算各表面净辐射换热量。
16、什么是辐射表面热阻？什么是辐射空间热阻？网络法的实际作用你是怎样认识的？ 答：由辐射表面特性引起的热阻称为辐射表面热阻，由辐射表面形状和空间位置引起的热阻称为辐射空间热阻，网络法的实际作用是为实际物体表面之间的辐射换热描述了清晰的物理概念和提供了简介的解题方法。
17、试写出如下长通道的角系数X 1, 2。
解： X 2, 1=1 1∴X 1, 2=A 2X 2, 1
A 1=A 22R 4 ==A 12πR ⨯3/43π
18、两种材料a 和b 的吸收光谱如图，如选其中一种材料作太阳能集热器表面覆盖层，应选用哪一种材料？为什么？
αλ
1.0
0123456
答：应选用a 材料。
太阳辐射的能量中有99%集中在0. 2μm ≤λ≤3μm 的短波区。
从图中可以看出，a 材料对波长3μm 以下的短波吸收率为0.85，而b 材料对波长3μm 以下的短波吸收率为0.05，所以a 材料对太阳辐射的吸收率大，因而应该选用a 材料作太阳能集热器表面覆盖层。 λ(μm )
19、如图，在垂直于纸面的方向上均为无限长。
求：导出从沟槽表面发出的辐射能中落到沟槽外面的部分所占的百分数的计算公式。
解：对三种情形，在开口处做一假想表面，设表面积为A 1，而其余沟槽表面为A 2，则有 A 1X 1, 2=A 2X 2, 1， X 1, 2=1，∴X 2, 1=
A 1
A 2
（1）X 2, 1=
（2）X 2, 1=
（3）X 2, 1=
W =sin ϕ 2(W /2) /sin ϕW ； 2H +W W 。 2H +W /sin ϕ
辐射换热思考题解答
1．什么叫黑体？在辐射换热中为什么要引入这一概念？
答：吸收比α=1的物体叫做黑体，黑体是一个理想化的物体，黑体辐射的特性反映了物体辐射在波长、温度和方向上的变化规律，这为研究实际物体的辐射提供了理论依据和简化分析基础。
2．温度均匀的空腔壁面上的小孔具有黑体辐射的特性，那么空腔内部的辐射是否也是黑体辐射？
答：空间内壁壁面不一定是黑体辐射，之所以小孔呈现出黑体特性，是因为辐射在空腔内经历了很多次吸收和反射过程，使离开小孔的能量微乎其微。
3．试说明，为什么在定义辐射力时要加上“半球空间”和“全波长”的说明？
答：因为辐射表面半球空间每一立体角都有来自辐射面的辐射能，而辐射能的形式有各个不同波长。全辐射必须包括表面辐射出去的全部能量，所以要加上“半球空间”和“全部波长”的说明。
4．黑体的辐射能按波长是怎样分布的？光谱辐射力E b , λ的单位中“m 3”代表什么？ 答：黑体辐射能按波长的分布服从普朗克定律，光谱辐射力单位中分母“m 3”代表了单位面积m 2和单位波长m 的意思。
5．黑体的辐射能按空间方向是怎样分布？定向辐射强度与空间方向无关是否意味着黑体的辐射能在半球空间各方向上是均匀分布的？
答：黑体辐射能按空间方向分布服从兰贝特定律。定向辐射强度与空间方向无关并不意味着黑体辐射能在半球空间各方向上是均匀分布的，因为辐射强度是指单位可见面积的辐射能，在不同方向，可见面积是不同的，即定向辐射力是不同的。
6．什么叫光谱吸收比？在不同光源的照耀下，物体常呈现不同的颜色，如何解释？ 答：所谓光谱吸收比，是指物体对某一波长投入辐射的吸收份额，物体的颜色是物体对光源某种波长光波的强烈反射，不同光源的光谱不同，所以物体呈现不同颜色。
7．对于一般物体，吸收比等于发射率在什么条件下成立？
答：任何物体在与黑体处于热平衡的条件下，对来自黑体辐射的吸收比等于同温度下该物体的发射率。
8．说明灰体的定义以及引入灰体的简化对工程辐射换热计算的意义。
答：光谱吸收比与波长无关的物体叫做灰体，灰体的吸收比恒等于同温度下的发射率，把实际物体当做灰体如理，可以不必考虑投入辐射的特性，将大大简化辐射换热的计算。
9．已知材料A 、B 的光谱吸收比α(λ) 与波长的关系如图所示，试估计这两种材料的发射率ε随温度变化的特性，并说明理由。
答：根据基尔霍夫定律：ε~α， ε(λ) ~α(λ) 。由维恩位移定律：λmax ~1/T 。
因为A 的光谱吸收比随波长增加而降低，即其善于吸收短波辐射，必善于发射短波辐射，所以其发射率随温度升高而升高，可能是金属材料。B 的光谱吸收比是随波长的增加而增高，即其善于吸收长波辐射，必善于发射长波辐射，所以其发射率随温度升高而降低，可能是非金属材料。
10、试述角系数的定义。“角系数是一个纯几何因子”的结论是在什么前提下得出的？ 答：表面1发出的辐射能落到表面2上的份额称为表面1对表面2的角系数。“角系数是一个纯几何因子”的结论是在物体表面性质及表面温度均匀、物体辐射服从兰贝特定律的前提下得出的。
11、角系数有哪些特性？这些特性的物理背景是什么？
答：角系数有相对性、完整性和可加性。相对性是在两个物体处于热平衡时，净辐射换热量为零的条件下导得的；完整性反映了一个由几个表面组成的封闭系统中，任一表面所发生的辐射能必全部落到封闭系统的各个表面上；可加性是说明从表面1发出而落到表面2上的总能量等于落到表面2上各部分辐射能之和。
12、为什么计算一个表面与外界之间的净辐射换热量时要采用封闭腔的模型？
答：因为任一表面与外界的辐射换热包括了该表面向空间各个方向发出的辐射能和从各个方向投入到该表面上的辐射能。
13、实际表面系统与黑体系统相比，辐射换热计算增加了哪些复杂性？
答：实际表面系统的辐射换热存在表面间的多次重复反射和吸收，光谱辐射力不服从普朗克定律，光谱吸收比与波长有关，辐射能在空间的分布不服从兰贝特定律，这都给辐射换热计算带来了复杂性。
14、什么是一个表面的自身辐射、投入辐射及有效辐射？有效辐射的引入对于灰体表面系统辐射换热的计算有什么作用？
答：由物体的热力学能转变成的辐射能叫做自身辐射，投向辐射表面的辐射叫做投入辐射，离开辐射表面的辐射叫做有效辐射，有效辐射概念的引入可以避免计算辐射换热计算时出现多次吸收和反射的复杂性。
15、对于温度已知的多表面系统，试总结求解每一表面净辐射换热量的基本步骤？ 答：（1）画出辐射网络图，写出节点辐射力、表面热阻和空间热阻；（2）写出由中间节点方程组成的方程组；（3）解方程组得到各点有效辐射；（4）由端点辐射力，有效辐射和表面热阻计算各表面净辐射换热量。
16、什么是辐射表面热阻？什么是辐射空间热阻？网络法的实际作用你是怎样认识的？ 答：由辐射表面特性引起的热阻称为辐射表面热阻，由辐射表面形状和空间位置引起的热阻称为辐射空间热阻，网络法的实际作用是为实际物体表面之间的辐射换热描述了清晰的物理概念和提供了简介的解题方法。
17、试写出如下长通道的角系数X 1, 2。
解： X 2, 1=1 1∴X 1, 2=A 2X 2, 1
A 1=A 22R 4 ==A 12πR ⨯3/43π
18、两种材料a 和b 的吸收光谱如图，如选其中一种材料作太阳能集热器表面覆盖层，应选用哪一种材料？为什么？
αλ
1.0
0123456
答：应选用a 材料。
太阳辐射的能量中有99%集中在0. 2μm ≤λ≤3μm 的短波区。
从图中可以看出，a 材料对波长3μm 以下的短波吸收率为0.85，而b 材料对波长3μm 以下的短波吸收率为0.05，所以a 材料对太阳辐射的吸收率大，因而应该选用a 材料作太阳能集热器表面覆盖层。 λ(μm )
19、如图，在垂直于纸面的方向上均为无限长。
求：导出从沟槽表面发出的辐射能中落到沟槽外面的部分所占的百分数的计算公式。
解：对三种情形，在开口处做一假想表面，设表面积为A 1，而其余沟槽表面为A 2，则有 A 1X 1, 2=A 2X 2, 1， X 1, 2=1，∴X 2, 1=
A 1
A 2
（1）X 2, 1=
（2）X 2, 1=
（3）X 2, 1=
W =sin ϕ 2(W /2) /sin ϕW ； 2H +W W 。 2H +W /sin ϕ